Аналого-цифрове перетворення (АЦП)

7.1. Мета роботи.

7.1.1. Вивчити принцип дії АЦП К1113ПВ1

7.1.2. Вивчити принципи побудови АЦП.

7.1.3. Дослідження АЦП на дискретних елементах.

7.2. Основні теоретичні відомості.

Схема АЦП залежить від методу перетворення і способу його реалізації. Можна виділити наступні методи побудови АЦП:

- часового перетворення;

- послідовного рахунку;

- послідовного наближення;

- паралельного перетворення.

У схемі часового перетворення (Рис. 7.1.) значеню аналогової вхідної напруги Uвх ставиться у відповідність часовий інтервал, тривалість якого пропорційна Uвх.

Цей інтервал заповнюється імпульсами стабільної частоти, кількість яких і є цифровим еквівалентом перетворюваної напруги. Робота схеми полягає в наступному. Вихідний імпульс вузла запуску УЗ обнуляє лічильник, встановлює RS-тригер в " 1" стан і запускає генератор лінійно-змінюючоїся напруги ГЛЗН. При наявності логічної одиниці на прямому виході тригера вихідні імпульси генератора тактових імпульсів ГТІ через схему збігу «І» надходять на вхід лічильника.

 

 

Рис. 7.1.

Коли напруга на виході ГЛЗН стане рівною Uвх, на виході компаратора з'являється логічна " 1", яка переключає тригер в " 0" стан і перериває зв'язок лічильника з ГТІ. Тривалість позитивного імпульсу tв на виході тригера (Рис. 7.1.) пропорційна Uвх, отже, при незмінній частоті ГТІ код, який встановився на виході лічильника, є цифровим еквівалентом величини Uвх.

В АЦП послідовного рахунку до виходу лічильника підключається ЦАП, що перетворює код в аналоговий сигнал. Цей сигнал порівнюється з вхідною напругою на компараторі, вихідний сигнал якого через елемент «І» дозволяє або забороняє проходження на вхід лічильника імпульсів від генератора тактових імпульсів (Рис. 7.2.).

Вихідний код лічильника при цьому є цифровим еквівалентом напруги на вході ЦАП, тобто Uвх.

Більш швидкодіючими є АЦП послідовного наближення, в яких формується вихідний код послідовно наближається до свого повного вираженню: на початку визначається цифра в старшому n-му розряді, а потім в (n-1) і т.д., завершуючи молодшим (першим) розрядом. На Рис. 7.3. представлена спрощена схема АЦП послідовного наближення.

 

Рис. 7.2.

Рис. 7.3.

Після надходження імпульсу " ПУСК" на регістр послідовного наближення РПП на виході його старшого n - го розряду з'являється напруга логічної " 1", а на інших виходах - " 0". На виході ЦАП формується напруга

Uвых = 0, 5Uвх.мах.,

яке на входах компаратора порівнюється з Uвх. Якщо

Uвх. < Uвых.,

то під дією імпульсу ГТІ з'являється одиниця на виході (n-1) розряду і зберігається одиниця в старшому розряді. Якщо

Uвх. > Uвых.,

то при появі одиниці в (n-1) розряді РПП зміст попереднього старшого розряду обнуляється. Так перебираються всі розряди до наймолодшого. Після виконання останнього n-го порівняння цикл формування вихідного коду закінчується. Стан РПП відповідає цифровому еквіваленту вхідної напруги. Якщо, наприклад, Uвx = Uвих.мах., то комбінація вихідного коду дорівнює 11... 1 (всі одиниці). У розглянутому АЦП час перетворення t постійний і визначається числом розрядів n і тактовою частотою fгті.

Самим швидкодіючим є АЦП паралельної дії (Рис. 7.4.). Його основні елементи - 2^n-1 компараторів напруги. На один із входів кожного компаратора (інвертується вхід) задається індивідуальне опорна напруга Uon., сформоване резистивним дільником напруги. Різниця між опорними напругами двох найближчих компараторів

U = Uоп/2.

Інші входи компараторів (не інвертуючі) - об'єднані, і на них подається вхідний сигнал. На тих компараторах, де Uвх більше, ніж відповідна напруга з дільника, на виході буде логічна одиниця, а на інших - логічний нуль. Тактовим імпульсом інформація з виходів компараторів передається шифратору CD, який перетворює вихідні сигнали компараторів в двійковий код. При надходженні управляючого імпульсу УІ на вхід шифратора, сформований двійковий код передається на вихід перетворювача.

Досліджуваний в лабораторній роботі АЦП типу К1113ПВ1 призначений для застосування в електронній апаратурі у складі блоків аналогового вводу. Мікросхема виконує функцію 10-ти розрядного аналого-цифрового перетворювача однополярного або біполярного вхідного сигналу з представленням результатів перетворення у паралельному двійковому коді. Вона містить всі функціональні вузли АЦП послідовного наближення, включаючи компаратор напруги (КН), цифро-аналоговий перетворювач, регістр послідовного наближення, джерело опорної напруги ДОН, генератор тактових імпульсів ГТІ, вихідний буферний регістр з трьома станами, схеми управління (Рис. 7.5.а., Рис. 7.5.б.).

Для її експлуатації необхідно тільки два джерела живлення і регулювальні резистори. Вихідні каскади з трьома станами дозволяють зчитувати результат перетворення безпосередньо на шину даних мікропроцесора і навпаки.

Рис. 7.4.

Рис. 7.5.а.

Нумерація і призначення виводів мікросхеми:

1- 9 - цифрові виходи СР (старші розряди),

10 - напруга джерела живлення Ucc1,

11 - гасіння перетворення,

12 - напруга джерела живлення Ucc2,

13 - аналоговий вихід,

14 - загальний (аналогова земля),

15 - керування зсувом нуля,

16 - загальний (цифрова земля),

17 - готовність даних,

18 - цифровий вхід МР (молодший розряд)

Рис. 7.5.б.

7.3. План роботи.

7.3.1. Вивчити принцип дії АЦП К1113ПВ1.

7.3.2. Зберіть схему Рис. 7.6. Живлення +12 В до ДУ підключіть за допомогою довгих проводів.

7.3.3. Встановіть ДУ таким чином, щоб його вихідний потенціал дорівнював нулю.

7.3.4. За допомогою генератора одиночних імпульсів ГОІ подайте керуючий імпульс на АЦП і перевірте працездатність схеми. (Тумблер S9 включений). Виконайте теж саме для декількох ненульових значень ДУ.

7.3.5. Замість ГОІ на керуючий вхід подайте імпульси " 1с". (Для цього потрібно встановити відповідну перемичку і включити тумблер S9, S10). Плавно обертаючи ДУ і використовуючи вольтметр для вимірювання вхідного сигналу і індикатор для фіксування вихідного коду складіть таблицю відповідності: вхідний сигнал - вихідний код. Запишіть показання семисегментного індикатора при кодах що відповідають числам від 10 до 16 - вони можуть вам стати в нагоді в наступних роботах. Намалюйте діаграму роботи АЦП для одного з вихідних сигналів.

7.3.6. Включіть в розрив між D8 і D11 регістр D13 з фільтром G1. На вхід одновібратора подайте імпульси готовності даних (вив. 16) з АЦП D8. Проробіть досліди 7.3.4., 7.3.5. Намалюйте часові діаграми роботи.

 

Рис. 7.6.